Production and Computational Study of Composite Materials with Localized Reinforcements Fabricated through Additive Manufacturing

Grazie alla loro elevata resistenza specifica e rigidezza specifica, i materiali compositi trovano ampio impiego per la realizzazione di componenti che combinano leggerezza ed elevate proprietà meccaniche. Tuttavia, questi materiali rivelano problemi critici riguardo alla sostenibilità, poiché i processi per la produzione dei compositi richiedono molta energia e il materiale non può essere facilmente riciclato. Pertanto, il loro utilizzo è oggi limitato ad applicazioni specifiche. La Fabbricazione Additiva (FA) è un processo di produzione moderno in cui i componenti vengono realizzati strato dopo strato. Per la produzione di compositi, la tecnologia Continuous Filament Fabrication (CFF) consente il posizionamento localizzato della fibra di rinforzo dove è strettamente necessaria, riducendo potenzialmente l'impatto ambientale del materiale composito e della produzione. L'obiettivo di questo lavoro è quello di sfruttare il controllo localizzato della CFF, producendo provini con deposizione di fibra selezionata. I provini sono caratterizzati da un rinforzo localizzato in fibra di carbonio, che viene posizionato nello strato centrale del provino a osso di cane in nylon. L'area rinforzata è continua o divisa in due blocchi adiacenti, simmetrici e uguali. I blocchi sono ottenuti suddividendo l'area rinforzata continua lungo il piano di simmetria del provino, sia lungo la direzione del carico sia perpendicolarmente ad essa. Ogni provino è stampato con una diversa orientazione delle fibre: i provini con un blocco di rinforzo hanno fibre orientate a 0°, 45° e 90°, mentre i provini con due blocchi sono prodotti combinando queste orientazioni. Tutti i provini sono sottoposti a prove di trazione uniassiale e i dati sono analizzati secondo le norme ASTM D638-22 e EN ISO 527-1. I risultati evidenziano che l’orientazione delle fibre influenza in modo significativo il comportamento meccanico: provini con fibre allineate alla direzione di carico (0°) raggiungono una resistenza a trazione superiore rispetto alle orientazioni a 45° e 90°, che invece mostrano un maggiore allungamento a rottura, deformandosi plasticamente in misura più ampia prima della rottura. I provini con due blocchi di rinforzo disposti in parallelo mostrano un aumento generale della rigidezza rispetto a quelli con un solo blocco. È infine implementato un modello preliminare agli Elementi Finiti (FE) come strumento per prevedere le prestazioni meccaniche del materiale composito.